El documento describe la necesidad y metodología para el diseño de una malla de tierra en una subestación eléctrica. Explica que la malla de tierra provee un circuito de baja impedancia para drenar corrientes de tierra y evitar diferencias de potencial peligrosas. También detalla los cálculos requeridos para dimensionar los conductores, determinar la corriente máxima de la malla y evaluar las tensiones de toque y paso durante una falla a tierra.

1. GROUND GRID

2. GROUND GRID
Necesidad
Necesidad de la
de la Malla
Malla de Tierra
de Tierra
¾
¾ Proporcionar un circuito de muy baja impedancia para
Proporcionar un circuito de muy baja impedancia para
drenar las corrientes de tierra, ya sean debidas a una
drenar las corrientes de tierra, ya sean debidas a una
falla de aislamiento o a la operación de un
falla de aislamiento o a la operación de un
descargador de
descargador de sobretensión
sobretensión.
.
¾
¾ Evitar que durante la circulación de estas corrientes
Evitar que durante la circulación de estas corrientes
de tierra, puedan producirse diferencias de potencial
de tierra, puedan producirse diferencias de potencial
entre distintos puntos de la subestación, que puedan
entre distintos puntos de la subestación, que puedan
ser peligrosas para el personal.
ser peligrosas para el personal.

3. GROUND GRID
Necesidad
Necesidad de la
de la Malla
Malla de Tierra (cont.)
de Tierra (cont.)
¾
¾ Facilitar mediante sistemas de protecciones la
Facilitar mediante sistemas de protecciones la
eliminación de las fallas a tierra en los sistemas
eliminación de las fallas a tierra en los sistemas
eléctricos.
eléctricos.
¾
¾ Dar mayor confiabilidad y continuidad al servicio
Dar mayor confiabilidad y continuidad al servicio
eléctrico.
eléctrico.

4. GROUND GRID

5. GROUND GRID

6. GROUND GRID

7. GROUND GRID

8. GROUND GRID

9. GROUND GRID

10. FEM
GROUND GRID

11. FEM
GROUND GRID

12. IEEE
GROUND GRID

13. IEEE
GROUND GRID

14. GROUND GRID
FEM
FEM IEEE
IEEE
Puntero
Conductor
Jabalina
Forma Rectangular
Forma T
Forma L
Forma Triangular
Puntero
Forma Rectangular
Forma T
Forma L
Forma Triangular
Nota: Se pueden representar todas
las formas si se selecciona IEEE
80-2000. Para IEEE 80-1986 e
IEEE 665-1995 sólo la Forma
Rectangular.

15. GROUND GRID
FEM
FEM IEEE
IEEE
Ejecutar Cálculo
Alerta
Gráficos
Reportes
Ejecutar Cálculo
Optimizar Cond.
Optimizar Cond. y Jabalinas
Alerta
Reportes

16. GROUND GRID

17. GROUND GRID
Entrada de Datos
Entrada de Datos -
- Conductores y Jabalinas
Conductores y Jabalinas

18. GROUND GRID
Entrada de Datos
Entrada de Datos -
- Conductores y Jabalinas
Conductores y Jabalinas
(IEEE)
(IEEE)

19. GROUND GRID
Entrada de Datos
Entrada de Datos -
- Conductores y Jabalinas
Conductores y Jabalinas
(FEM)
(FEM)

20. GROUND GRID
Entrada de Datos
Entrada de Datos -
- Terreno
Terreno

21. GROUND GRID
GRD Study Case Editor
GRD Study Case Editor

22. GROUND GRID
¾
¾ Finite
Finite Element
Element Method
Method.
.
¾
¾ ANSI/IEEE
ANSI/IEEE Std
Std 80
80-
-1986. IEEE
1986. IEEE Guide
Guide for
for
Safety
Safety in AC
in AC Substation
Substation Grounding
Grounding.
.
¾
¾ ANSI/IEEE
ANSI/IEEE Std
Std 80
80-
-2000. IEEE
2000. IEEE Guide
Guide for
for
Safety
Safety in AC
in AC Substation
Substation Grounding
Grounding.
.
¾
¾ ANSI/IEEE
ANSI/IEEE Std
Std 665
665-
-1995. IEEE
1995. IEEE Guide
Guide
for
for Generating
Generating Station
Station Grounding
Grounding.
.
Metodología
Metodología

23. GROUND GRID
Metodología (cont.)
FEM: Es basado en el método de imágenes y asume que el
sistema de tierra es una estructura equipotencial. Da resultados
exactos para redes de tierra pequeñas (50 x 50 metros) y
medianas (250 * 250 metros) tanto para terrenos uniformes
como para biestratificados. Maneja configuraciones tanto
regulares como irregulares de cualquier tipo de forma.
IEEE: Es un método opcional, se puede utilizar para optimizar
conductores y/o jabalinas. Sólo realiza los cálculos para el
estrato donde se encuentra enterrada la malla. Sólo se puede
añadir una forma bajo estudio.

24. GROUND GRID
Tensiones
Tensiones de Toque (50 kg y 70 kg)
de Toque (50 kg y 70 kg)

25. GROUND GRID
Tensiones
Tensiones de Paso (50 kg y 70 kg)
de Paso (50 kg y 70 kg)

26. GROUND GRID
Factor de
Factor de Ajuste
Ajuste de la
de la Superficie
Superficie (Cs)
(Cs)
IEEE Std 80-2000 Æ
IEEE Std 80-1986 Æ
IEEE Std 665-1995

27. GROUND GRID
Factor de
Factor de Ajuste
Ajuste de la
de la Superficie
Superficie (cont.)
(cont.)
Donde:
K Æ Factor de reflexión.
ρ Æ Resistividad del terreno (ohm-m).
ρs Æ Resistividad de la capa superficial (ohm-m).
hs Æ Grosor de la capa superficial (m).

28. GROUND GRID
Duración
Duración de la
de la Falla
Falla
Donde:
Donde:
tf
tf Æ
Æ Duración en segundos de la corriente de falla para
Duración en segundos de la corriente de falla para
determinar el Factor de Decremento (
determinar el Factor de Decremento (Df
Df).
).
tc
tc Æ
Æ Duración en segundos de la corriente de falla para el
Duración en segundos de la corriente de falla para el
Dimensionamiento
Dimensionamiento de los Conductores de Tierra.
de los Conductores de Tierra.
ts
ts Æ
Æ Duración en segundos de la corriente de choque
Duración en segundos de la corriente de choque
eléctrico para determinar los niveles permitidos por el cuerpo
eléctrico para determinar los niveles permitidos por el cuerpo
humano (Tensiones de Toque y Paso).
humano (Tensiones de Toque y Paso).

29. GROUND GRID
Factor de Decremento (Df)
Debido a que los cortocircuitos suceden en forma aleatoria
con respecto a la onda de tensión y como el contacto
puede existir en el momento en que se inicia la falla; se
hace necesario suponer una onda de corriente de falla a
tierra asimétrica desplazada 100% durante el tiempo del
choque eléctrico.
El factor de decremento toma en cuenta el efecto del
desplazamiento de la corriente continua y la atenuación de
las componentes transitorias de corriente alterna y de
directa de la corriente de falla.

30. GROUND GRID
Factor de Decremento (cont.)
Donde:
Ta Æ Constante de tiempo subtransitoria del
sistema equivalente (seg). Ta = X/(wR)

31. GROUND GRID
Dimensionamiento de los Conductores de
Tierra
Donde:
Akcmil Æ Area del conductor (kcmil).
I Æ Corriente de falla (kA rms).
tc Æ Duración de la corriente de falla (seg).
Kf Æ Constante para diferentes materiales a
diferentes temperaturas de fusión Tm y una
temperatura ambiente de 40°C (ver Tabla 2).

32. GROUND GRID
Dimensionamiento de los Conductores de
Tierra (cont.)

33. GROUND GRID
Corriente
Corriente Máxima
Máxima de la
de la Malla
Malla
Donde:
IG Æ Corriente Máxima de la Malla.
Sf Æ Factor de División de Corriente (Current Division Factor).
Cp Æ Factor de Seguridad por Crecimiento del Sistema (Corrective Projection
Factor).
Df Æ Factor de Decremento (Decrement Factor).
3Io Æ Valor rms de la Corriente de Falla a Tierra (Ground Short-Circuit
Current). Ifg = 3Io

34. GROUND GRID
Factor de División de Corriente (Sf)
Este factor se refiere a la porción de la corriente de falla que fluye
entre la malla de tierra y la tierra circundante.
Sf depende de los siguientes parámetros:
- El lugar de la falla.
- La magnitud de la impedancia de la malla de tierra de la
subestación.
- Las tuberías enterradas y los cables en las cercanías de o
directamente conectadas al sistema de puesta a tierra de la
subestación.
- Los cables de guarda, neutros u otras trayectorias de retorno a
tierra.

35. GROUND GRID
Factor de Seguridad por Crecimiento del
Sistema (Cp)
Resulta prudente tomar un margen adecuado para estimar
los aumentos futuros de las corrientes de falla por aumento
de la capacidad del sistema eléctrico o por interconexiones
posteriores, pues las modificaciones a la malla de tierra
resultan costosas y generalmente se omiten dando motivo
a introducir inseguridad en el sistema. Este efecto puede
tomarse en cuenta disminuyendo la impedancia del
sistema o aplicando un factor de seguridad al valor
calculado de la corriente de falla.

36. GROUND GRID
Resultados
FEM IEEE

37. GROUND GRID
Resultados (cont.)
FEM

38. GROUND GRID
Resultados (cont.)
FEM y IEEE

39. GROUND GRID
GPR (Ground Potential Rise)
Máxima elevación de potencial en la malla de una
subestación con respecto a un punto distante que se
asume que está al potencial de tierra remoto.
GPR = IG * Rg (V)
Si “GPR > Etouch tolerable” se calculan las tensiones de
malla y de paso en caso de falla; si “GPR < Etouch
tolerable”, entonces el diseño ha concluido.

40. GROUND GRID
Rg (Resistencia del Sistema de Tierra)
Donde:
LT Æ Longitud total del conductor (m).
A Æ Área de la malla de tierra (m2).
h Æ Profundidad de enterramiento de la malla (m).

41. GROUND GRID
Tips
Normalmente tf, tc y ts se asumen iguales y deberán
reflejar el tiempo máximo de despeje de la falla (incluyendo
el respaldo). Los rangos más comunes están entre 0,25
seg. hasta 1 seg.
Sf y Cp al fijarlos en 100% dan el diseño más conservador.
Sf=100% significa que toda la intensidad de la corriente de
falla va a la malla. Si se fija Cp=100% se deberá utilizar el
nivel de cortocircuito máximo esperado (año horizonte,
máxima expansión, etc.).

42. GROUND GRID
Tips (cont.)
Una malla de tierra típica para una subestación incluye
conductores de cobre 4/0 enterrados entre 0,3 y 0,5
metros (12-18 pulgadas), separados de 3 a 7 metros.
Las jabalinas penetrando el suelo de baja resistividad son
hasta ahora más efectivas en disipar corrientes de falla
siempre que el suelo sea de dos capas o múltiples capas.
Las capas superiores del suelo tienen una resistividad
mucho más alta que las capas inferiores.

43. GROUND GRID
Tips (cont.)
En transmisión usualmente Rg es menor o igual a 1 Ω. En
distribución usualmente el rango aceptable es desde 1 Ω
hasta 5 Ω.
Entre más grande sea el área que ocupa la malla de tierra,
más baja será Rg, y por lo tanto, el valor de GPR será
menor.

44. GROUND GRID
Tips (cont.)
La grava o roca triturada colocada en la superficie ayuda
tanto a evitar la evaporación del agua como reducir la
magnitud de los choques eléctricos, dada su alta
resistividad.